JP2007067204A - 発光ダイオード装置 - Google Patents

Abstract

【課題】色むらの発生が抑制された発光ダイオード装置を提供すること。
【解決手段】青色光を発光する発光ダイオードチップと；前記青色光により発光する蛍光体層および前記蛍光体層の少なくとも一方の面上に形成された光拡散層を有する蛍光体シートと；を具備することを特徴とする発光ダイオード装置。
【選択図】図１

Description

本発明は青色光を発光する発光ダイオードチップを具備する発光ダイオード装置に関する。

発光ダイオード装置は、液晶ディスプレイ、携帯電話、情報端末等のバックライト、屋内外広告等、多方面への展開が飛躍的に進んでいる。さらに、発光ダイオード装置は長寿命で信頼性が高く、また低消費電力、耐衝撃性、高純度表示色、軽薄短小化の実現等の特徴を有することから、産業用のみならず一般照明用途への適用も試みられている。このような発光ダイオード装置を種々の用途に適用する場合、白色光を得ることが重要となる。

発光ダイオード装置で白色光を実現する代表的な方式としては、（１）赤、緑および青の各色に発光する３つの発光ダイオードチップを使用する方式、（２）青色光を発光する発光ダイオードチップと黄色ないし橙色光を発光する蛍光体とを組み合わせる方式、（３）紫外線を発光する発光ダイオードチップと赤色、緑色および青色の三色混合蛍光体とを組み合わせる方式の３つが挙げられる。これらのうち、一般的には輝度特性の観点から、（２）の青色光を発光する発光ダイオードチップと黄色ないし橙色光を発光する蛍光体とを組み合わせる方式が広く実用化されている。

上記した（２）および（３）の方式を適用した発光ダイオード装置の構造としては、発光ダイオードチップを装備したカップ型のフレーム内に、所望の色を発光する蛍光体を混合した透明樹脂を流し込み、これを固化させて蛍光体を含有する蛍光体層を形成する構造が一般的である（例えば、特許文献１参照。）。また、このようなものの代わりに、所望の色を発光する蛍光体を混合した透明樹脂をトランスファー成形法等で蛍光体シートとしたものを発光ダイオードチップの発光面側に配置したものが知られている（例えば、特許文献２参照。）。

そして、このような白色発光する発光ダイオード装置は、例えば基板上に複数配置することにより白色発光ダイオードモジュールとし、液晶ディスプレイ、携帯電話、情報端末等のバックライト、各種表示器、照明装置等に好適に用いられている（例えば、特許文献３参照。）。
特開２００１−１４８５１６号公報 特開２００３−４６１３３号公報（例えば、段落番号［００１９］、図１参照。） 特開平１０−１９００６５号公報（例えば、図３参照。）

上記したように、発光ダイオード装置の構造としては、例えば発光ダイオードチップを装備したカップ型のフレーム内に所望の色を発光する蛍光体を混合した透明樹脂を流し込み固化させて蛍光体層を形成する構造のものと、所望の色を発光する蛍光体を混合した透明樹脂をトランスファー成形法等により成形することによって得た蛍光体シートを発光ダイオードチップの発光面側に配置する構造のものとが知られている。

これらのうち、蛍光体シートを利用するものは蛍光体シートを発光ダイオードチップの発光面側に接着等により固定するだけでよいため、製造工程を簡略化することができ、製造コストの低減が可能となる。

また、蛍光体を含有する透明樹脂を流し込み固化させる構造の発光ダイオード装置については、蛍光体を含有する透明樹脂を流し込む必要からその粘度を小さくしなければならず、硬化させる間に蛍光体が沈下してしまうことがあるが、蛍光体シートを利用するものについては例えば蛍光体シートをトランスファー成形法等により成形するためこのような問題が発生しにくく、蛍光体の含有量や濃度を均一にすることができる。

しかしながら、このような蛍光体シートを利用した発光ダイオード装置についても、発光ダイオードチップの配光特性によっては発光観測面において色むらを生じることがある。特に上記（２）に示したような青色光を発光する発光ダイオードチップと黄色ないし橙色光を発光する蛍光体とを組み合わせる方式の発光ダイオード装置については、色むらが生じやすい。具体的には、発光観測面側から見て発光ダイオードチップが配置された中心部が青色っぽく、その周辺にリング状に黄や緑や赤っぽく見られる部分が発生することがある。人間の色調感覚は白色において特に敏感であり、僅かな色調の違いでもその違いは容易にわかるため、このような色むらの発生は極力抑制することが好ましい。

本発明は上記したような課題を解決するためになされたものであって、蛍光体シートを利用した発光ダイオード装置において、色むらの発生が抑制された発光ダイオード装置を提供することを目的としている。

請求項１に係る発明は、青色光を発光する発光ダイオードチップと；前記青色光により発光する蛍光体層および前記蛍光体層の少なくとも一方の面上に形成された光拡散層を有する蛍光体シートと；を具備することを特徴とする発光ダイオード装置である。

請求項２に係る発明は、前記光拡散層の面積が前記発光ダイオードチップの配光特性に合わせて調整されていることを特徴とする請求項１記載の発光ダイオード装置である。

請求項３に係る発明は、前記蛍光体シートが一体成形されたものであることを特徴とする請求項１または２記載の発光ダイオード装置である。

請求項４に係る発明は、前記光拡散層がアルミナ、チタニアおよびシリカのいずれか一種を含むものであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項記載の発光ダイオード装置である。

なお、本発明における用語の定義および技術的意味は、特に指定しない限り以下の通りである。蛍光体層は、青色光を発光する発光ダイオードチップ（以下、単に発光ダイオードチップと呼ぶ。）から発せられた青色光により励起されて可視光を発光する蛍光体粒子を有するものであり、この蛍光体粒子から発光される可視光と発光ダイオードチップから放射される光との混色によって白色光を得るものである。蛍光体粒子の種類は、所望とする白色光や、発光ダイオードチップから放射される青色光に応じて適宜選択されるものである。

請求項１に係る発明によれば、蛍光体シートが青色光により発光する蛍光体層の少なくとも一方の面上に光拡散層が形成されたものであるため、例えば発光ダイオードチップから発せられた青色光をこの光拡散層で拡散させて蛍光体層全体に広く入射させることができ、また、例えば発光ダイオードチップから発せられて蛍光体層を通過し出射する青色光とこの蛍光体層の蛍光体粒子により発せられて出射する可視光とをこの光拡散層で拡散させて広く出射させることができ、発光ダイオード装置における色むらの発生を抑制することができる。

請求項２に係る発明によれば、発光ダイオードチップの配光特性に合わせて光拡散層の面積が調整されているため、発光ダイオード装置の色むらの発生を抑制した上で、発光輝度の低下も最小限度に抑制することができる。

請求項３に係る発明によれば、蛍光体層と光拡散層とを有する蛍光体シートが一体成形されたものであるため、発光ダイオード装置の製造性を向上させることができる。

請求項４に係る発明によれば、光拡散層がアルミナ、チタニアおよびシリカのいずれか一種を含むものであるため、発光ダイオードチップから発せられて蛍光体層へ入射する青色光、あるいは、蛍光体層から出射する可視光および青色光をこの光拡散層により十分に拡散させることができ、発光ダイオード装置における色むらの発生をより一層抑制することができる。

以下、本発明について添付図面に基づいて説明する。なお、複数の添付図面中、同一または相当部分には同一の符号を付している。

図１は本発明の発光ダイオード装置１の第１の実施形態を示す断面図である。本発明の発光ダイオード装置１は、基板２上に電気絶縁層３を介して回路パターン４が配設されている。基板２は放熱性と剛性とを有するアルミニウム（Ａｌ）やニッケル（Ｎｉ）、ガラスエポキシ等の平板からなるものである。

回路パターン４はＣｕとＮｉの合金やＡｕ等により、陰極側と陽極側の回路パターン（配線パターン）４ａ、４ｂに形成されており、この回路パターン４上に青色光を発光する発光ダイオードチップ５が搭載されている。これらの発光ダイオードチップ５は青色光を発光するものであり、例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）系半導体等からなるものである。

発光ダイオードチップ５は、その底面電極が回路パターン４ａ、４ｂの一方の表面上に載置され電気的に接続される一方、その上面電極が回路パターン４ａ、４ｂの他方の表面上にボンディングワイヤ６により電気的に接続されている。

そして、基板２上の発光ダイオードチップ５の周囲には、所要の間隔を置いてこれを取り囲むように凹部形成部材７が形成されている。凹部形成部材７は、基板２の表面から遠ざかるにつれて同心円状に漸次拡開する円錐台状の凹部８を有するものである。このような凹部形成部材７は、例えばＰＢＴ（ポリブチレンテレフタラート）、ＰＰＡ（ポリフタルアミド）、ＰＣ（ポリカーボネート）等の合成樹脂からなるものである。

この凹部形成部材７の凹部８内には、シリコーン樹脂やエポキシ樹脂等の透明樹脂を硬化させてなる透明層９が形成されている。さらに、この透明層９上には蛍光体シート１０が配置されている。蛍光体シート１０は、光拡散層１１と蛍光体層１２とからなるものであり、図１に示す例では発光ダイオードチップ５側に光拡散層１１が配設されており、その反対側が蛍光体層１２となっている。なお、本発明では凹部形成部材７の凹部８内に必ずしもシリコーン樹脂やエポキシ樹脂等の透明樹脂からなる透明層９を設ける必要はなく、凹部形成部材７の凹部８の開口部上に蛍光体シート１０を直接配置するものとしてもよい。

蛍光体層１２は、例えばシリコーン樹脂やエポキシ樹脂等の透明樹脂に蛍光体粒子が含有されたものである。蛍光体粒子は、発光ダイオードチップ５（青色光を発光する発光ダイオードチップ）から発せられた青色光により励起されて可視光を発光し、この蛍光体粒子から発光される可視光と発光ダイオードチップ５から放射される光との混色によって白色光が得られるものであればよく、黄色ないし橙色発光蛍光体粒子が主として用いられる。また、演色性等の向上を図るために、黄色ないし橙色発光蛍光体粒子と共に赤色蛍光発光体粒子を併用してもよい。

黄色ないし橙色発光蛍光体粒子としては、例えばＲＥ_３（Ａｌ，Ｇａ）_５Ｏ_１２：Ｃｅ蛍光体（ＲＥはＹ、ＧｄおよびＬａから選ばれる少なくとも１種を示す。）等のＹＡＧ蛍光体粒子、ＡＥ_２ＳｉＯ_４：Ｅｕ蛍光体（ＡＥはＳｒ、Ｂａ、Ｃａ等のアルカリ土類元素である。）等の珪酸塩蛍光体粒子が用いられる。

また、光拡散層１１は、例えばシリコーン樹脂やエポキシ樹脂等の透明樹脂に光拡散粒子が含有されたものである。図１に示す例では、光拡散粒子は発光ダイオードチップ５から発せられた青色光を有効に拡散できるものであればよく、このようなものとしては例えばアルミナ、チタニアあるいはシリカからなるものが好適なものとして挙げられる。これらアルミナ、チタニア、シリカ等からなる光拡散粒子は光拡散層１１に１種のみが含有されていてもよいし、２種以上が含有されていてもよい。また、光拡散粒子は、発光ダイオードチップ５から発せられた青色光を有効に拡散できるものであれば、蛍光体シート１１に含まれる蛍光体粒子と同様な蛍光体粒子であってもよい。

このような発光ダイオード装置１においては、印加された電気エネルギーが発光ダイオードチップ５で青色光に変換される。そして、この発光ダイオードチップ５から発せられた青色光はまず蛍光体シート１０の光拡散層１１に入射し、それに含まれる光拡散粒子によって一部が光拡散層１１と平行な方向に拡散され、凹部８の周辺部へと拡散されてから蛍光体層１２に入射する。この入射した青色光の一部が蛍光体粒子により可視光に変換され、他の透過した青色光との混色により、凹部８の周辺部においても白色光が得られる。

このように本発明の発光ダイオード装置１においては、発光ダイオードチップ５から発せられた青色光の一部が光拡散層１１によって凹部８の周辺部へと拡散されてから蛍光体層１２に入射されるため、蛍光体層１２に入射する青色光を比較的均一にすることができ、発光ダイオードチップ５の配光特性が狭い場合であっても色むらの発生を有効に抑制することができる。

本発明の発光ダイオード装置１においては、図１に示すように、凹部形成部材７の凹部８の開口部全面を覆うように光拡散層１１が形成されていてもよいが、発光ダイオード装置１の発光輝度を高くする観点から、発光ダイオードチップ５の配光特性に合わせて例えば図２に示すように光拡散層１１の面積（ｓ）を調整することが好ましい。発光ダイオードチップ５の配光特性に合わせて光拡散層１１の面積（ｓ）を調整することで、発光ダイオード装置１の色むらを抑制した上で、発光輝度を高くすることができる。なお、光拡散層１１の面積（ｓ）を調整する場合、光拡散層１１は凹部８の開口部の中心部（ｃ）を中心とする円板状のものとし、その半径（ｒ）を調整することにより面積（ｓ）を調整することが好ましい。

具体的には、発光ダイオードチップ５の配光特性が狭い場合には、光拡散層１１の面積（ｓ）を広くすることが好ましい。発光ダイオードチップ５から放出される青色光の配光特性が狭い場合に光拡散層１１の面積（ｓ）を広くすることで、発光ダイオードチップ５から放出される青色光をこの光拡散層１１によって凹部８の周辺部へと拡散させてから蛍光体層１２に入射させることができ、発光ダイオード装置１における色むらの発生を抑制することができる。

一方、発光ダイオードチップ５の配光特性が広い場合には、光拡散層１１の面積（ｓ）を狭くすることが好ましい。発光ダイオードチップ５の配光特性が広い場合には、発光ダイオード装置１における色むらの発生が少なく、必ずしも光拡散層１１の面積（ｓ）を広げて発光ダイオードチップ５から放出される青色光を凹部８の周辺部へと拡散させる必要がない。また、このような場合に、光拡散層１１の面積（ｓ）を広げると、この光拡散層１１により発光ダイオードチップ５から放出される青色光が不必要に拡散され、かえって発光ダイオード装置１の発光輝度を低下させるため好ましくない。

また、光拡散層１１は、発光ダイオードチップ５から発せられた青色光の一部を適切に拡散させることができ、かつ、発光ダイオードチップ５から発せられた他の青色光を適切に透過させることができるよう、光拡散粒子の含有量を調整することが好ましい。このような光拡散層１１における光拡散粒子の含有量としては、光拡散層１１を構成する光拡散粒子および透明樹脂等の合計量１００重量％中、光拡散粒子を３重量％以上、５重量％以下とすることが好ましい。

さらに、光拡散層１１は、発光ダイオードチップ５から発せられた青色光の一部を適切に拡散させることができ、かつ、発光ダイオードチップ５から発せられた他の青色光を適切に透過させることができるよう、厚さを調整することが好ましい。

図３は本発明の発光ダイオード装置１の第２の実施形態を示したものである。図２に示す発光ダイオード装置１は、蛍光体シート１０を光拡散層１１と蛍光体層１２とからなるものとした点では第１の実施形態と同様であるが、その配置を逆にし、蛍光体層１２を発光ダイオードチップ５側とした点で異なるものである。

このような発光ダイオード装置１においては、発光ダイオードチップ５から発せられた青色光はまず蛍光体シート１０の蛍光体層１２に入射し、一部が蛍光体粒子により可視光に変換されて光拡散層１１に入射し、その他の青色光は透過して光拡散層１１に入射する。そして、光拡散層１１に入射したこれらの光は、その一部が光拡散層１１中の光拡散粒子によって凹部８の周辺部へと拡散される。このように、蛍光体層１２から出射する蛍光体粒子による可視光および透過光が光拡散層１１によって凹部８の周辺部にも拡散されることで、発光ダイオード装置１の色むらの発生が抑制される。

このような場合においても、第１の実施形態と同様、発光ダイオード装置１の色むらの抑制および発光輝度の向上の観点から、発光ダイオードチップ５の配光特性に合わせて光拡散層１１の面積（ｓ）が調整されていることが好ましい。また、光拡散層１１における光拡散粒子の含有量や、光拡散層１１の厚さについても第１の実施形態と同様に調整することが好ましい。

図４は本発明の発光ダイオード装置１の第３の実施形態を示したものである。図４に示す発光ダイオード装置１は、蛍光体層１２の両面にそれぞれ光拡散層１１ａ、１１ｂを設けた蛍光体シート１０を用いた点で第１の実施形態および第２の実施形態と異なるものである。

図４に示す発光ダイオード装置１における発光ダイオードチップ５側の光拡散層１１ａおよびその反対側の光拡散層１１ｂの役割は、それぞれ図１に示される第１の実施形態の発光ダイオード装置１における光拡散層１１、図３に示される第２の実施形態の発光ダイオード装置１における光拡散層１１と同様である。図４に示す発光ダイオード装置１では、蛍光体シート１０の蛍光体層１２の両面にそれぞれ光拡散層１１ａ、１１ｂを設けることで、色むらの発生をより一層抑制することができる。

図４に示す発光ダイオード装置１における光拡散層１１ａ、１１ｂについても、色むらの抑制および発光輝度の向上の観点から、発光ダイオードチップ５の配光特性に合わせて光拡散層１１ａ、１１ｂの面積（ｓ）が調整されていることが好ましい。なお、光拡散層１１ａ、１１ｂの面積（ｓ）は必ずしも同一でなくてもよい。また、図４に示す発光ダイオード装置１のように光拡散層を２層とする場合には、それぞれの光拡散層１１ａ、１１ｂについて光の拡散および透過が適切に行われるととともに、発光ダイオード装置１全体として色むらが抑制され、発光輝度に優れたものとする必要があることから、このような条件を満たすように厚さ等を調整することが好ましい。

本発明の発光ダイオード装置１は、例えば以下のようにして製造されるものである。すなわち、まず図５に示すように、基板２上に電気絶縁層３を介して回路パターン４が配設され、この回路パターン４の一方の電極に発光ダイオードチップ５が搭載され下部電極で電気的に接続されるとともに、上部電極がボンディングワイヤ６により回路パターン４の他方の電極に電気的に接続され、さらにこの発光ダイオードチップ５の周囲を取り囲むようにして凹部形成部材７が設けられ、この凹部形成部材７の凹部８内に透明層９が形成されたものを製造する。なお、図５に示すものは、図１〜図４に示す第１の実施形態〜第３の実施形態の発光ダイオード装置１において蛍光体シート１０を設けていない状態のものを示したものである。

また、別途、蛍光体シート１０を製造する。蛍光体シート１０が光拡散層１１と蛍光体層１２とからなるものの場合、例えば光拡散粒子と透明樹脂との混合物をトランスファー成型法等により成形することにより光拡散層１１を得るとともに、別に蛍光体粒子と透明樹脂との混合物をトランスファー成型法等により成形することにより蛍光体層１２を得、両者を貼り合わせることにより製造することができる。

また、例えば蛍光体粒子と透明樹脂との混合物をトランスファー成型法等により成形することにより蛍光体層１２を得た後、光拡散粒子と透明樹脂とを混合したペースト状の混合物を蛍光体層１２に塗布、硬化させることにより光拡散層１１を形成し蛍光体シート１０としてもよい。

さらに、例えば蛍光体粒子および光拡散粒子を低粘度の透明樹脂に分散させた後、光拡散粒子が沈降して高密度化することを利用し、この光拡散粒子が高密度化した部分を光拡散層１１とし、他の部分を蛍光体層１２とすることにより一体成形した蛍光体シート１０としてもよい。

また、蛍光体シート１０が２層の光拡散層１１ａ、１１ｂと蛍光体層１２とからなる場合は、上記したような製造方法を適宜選択して組み合わせて行うことにより製造することができる。

そして、このようにして製造された蛍光体シート１０はその光拡散層１１あるいは蛍光体層１２を、図５に示されるものの透明層９あるいは凹部８の開口部周辺の凹部形成部材７に接着することにより、本発明の発光ダイオード装置１を製造することができる。蛍光体シート１０の接着は、例えばシリコーン樹脂やエポキシ樹脂等を用いて行うことができる。

このような本発明の発光ダイオード装置１は、平面状に複数個を形成して発光ダイオードモジュールとしてもよい。図６は本発明の発光ダイオード装置１を利用した発光ダイオードモジュール２０の一例を示した一部断面図である。

この発光ダイオードモジュール２０では、複数の発光ダイオード装置１の各基板２が一体に連成されてなる一体基板となっている。基板２上には、電気絶縁層３を介して回路パターン４が配設されている。回路パターン４は各発光ダイオード装置３毎に、ＣｕとＮｉの合金やＡｕ等により、陰極側と陽極側の回路パターン（配線パターン）４ａ、４ｂに形成されており、この回路パターン４上に各発光ダイオード装置１毎に青色光を発光する発光ダイオードチップ５が搭載されている。

各発光ダイオードチップ５は、その底面電極が回路パターン４ａ、４ｂの一方の表面上に載置され電気的に接続される一方、その上面電極が回路パターン４ａ、４ｂの他方の表面上にボンディングワイヤ６により電気的に接続されている。

そして、基板２上には、各発光ダイオードチップ５の周囲に、それらから所要の間隔を置いて取り囲むように凹部形成部材７が一体に連成されている。各凹部形成部材７には、基板２の表面から遠ざかるにつれて同心円状に漸次拡開する円錐台状の凹部８が形成されている。また、この各凹部８内には透明層９が形成されている。

さらにこの各透明層９上には、蛍光体シート１０が接合されている。蛍光体シート１０は、蛍光体層１２が一体に連成されてなるものであり、その各発光ダイオードチップ５に対向する部分にはそれぞれ光拡散層１１が形成されている。そして、蛍光体シート１０はその各光拡散層１１がそれに対向する各透明層９と対応するように接合されている。

以上、本発明の発光ダイオード装置を利用した発光ダイオードモジュールについて説明したが、本発明の発光ダイオード装置を利用した発光ダイオードモジュールは必ずしもこのようなものに限られず、例えば蛍光体シートの蛍光体層に形成される光拡散層は連続していてもよく、また例えば光拡散層は蛍光体層の両面に形成されていてもよい。

本発明の発光ダイオード装置の第１の実施形態を示した断面図。 本発明の発光ダイオード装置の第１の実施形態の変形例を示した断面図。 本発明の発光ダイオード装置の第２の実施形態を示した断面図。 本発明の発光ダイオード装置の第３の実施形態を示した断面図。 本発明の発光ダイオード装置の製造に用いられるものを示した断面図。 本発明の発光ダイオード装置を用いた発光ダイオードモジュールの一例を示した一部断面図。

符号の説明

１…発光ダイオード装置、２…基板、３…電気絶縁層、４…回路パターン、５…発光ダイオードチップ、６…ボンディングワイヤ、７…凹部形成部材、８…凹部、９…透明層、１０…蛍光体シート、１１…光拡散層、１２…蛍光体層、２０…発光ダイオードモジュール

Claims (4)

1. 青色光を発光する発光ダイオードチップと；
   前記青色光により発光する蛍光体層および前記蛍光体層の少なくとも一方の面上に形成された光拡散層を有する蛍光体シートと；
   を具備することを特徴とする発光ダイオード装置。
2. 前記光拡散層は、前記発光ダイオードチップの配光特性に合わせて面積が調整されていることを特徴とする請求項１記載の発光ダイオード装置。
3. 前記蛍光体シートは一体成形されたものであることを特徴とする請求項１または２記載の発光ダイオード装置。
4. 前記光拡散層はアルミナ、チタニアおよびシリカのいずれか一種を含むものであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項記載の発光ダイオード装置。

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